基于CANopen的鋁合金板帶快速電磁鑄軋通信系統(tǒng)設計

O 引言
新型鋁合金板帶快速電磁鑄軋技術是利用電磁感應裝置產生一個交變復合磁場來對鑄軋區(qū)內的鋁熔體進行電磁攪拌、電磁擾動等綜合控制，以改變鋁及鋁合金凝固結晶條件，從而達到細化晶粒，改善鑄軋板坯組織及性能的目的。

1 鋁合金板帶快速電磁鑄軋系統(tǒng)
鋁合金板帶快速電磁鑄軋生產系統(tǒng)是一個復雜的大系統(tǒng)。它主要由鑄軋?zhí)胤N電源控制系統(tǒng)、熔爐溫度控制系統(tǒng)和軋機傳動控制系統(tǒng)三部分組成。該系統(tǒng)存在著大量的企業(yè)管理與決策信息和現(xiàn)場實時信息需要協(xié)調處理。為了適應鋁生產過程管控一體化和綜合自動化的需要，本設計采用基于工業(yè)以太網和現(xiàn)場總線技術的網絡化結構。圖l所示為鋁合金板帶快速電磁鑄軋生產系統(tǒng)的三層網絡結構示意圖，由圖可見，它通過工業(yè)以太網和現(xiàn)場總線技術的相互融合，從而有效解決了基礎自動化控制網絡與過程和管理控制系統(tǒng)之間的無縫集成問題，同時還為實現(xiàn)ERP(Enterprise Resource Planning)管理提供了良好的必要條件。下面主要設計基于CANopen協(xié)議的現(xiàn)場設備層的通信系統(tǒng)。

2 CANopen簡介
CAN (Controller Area Network)是控制器局域網的簡稱，是德國Bosch公司在1986年為解決現(xiàn)代汽車中眾多測量控制部件之間的數據交換問題而開發(fā)的一種串行數據通信總線。該總線現(xiàn)已經被列入ISO國際標準(稱為ISO 11898)。CAN現(xiàn)場總線網是一種可有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡，它有著很高的實時性、可靠性、抗干擾能力和驗錯能力，十分適合于鋁合金板帶快速電磁鑄軋生產過程的分布式網絡監(jiān)控系統(tǒng)應用。
在OSI參考模型中，網絡系統(tǒng)結構被劃分為7層。而CAN只定義了第1層(物理層)和第2層(數據鏈路層)，這兩層完全由硬件實現(xiàn)。由于沒有定義應用層，故其本身并不完整，還需要一個高層協(xié)議來定義CAN報文的11／29位標識符、8字節(jié)數據的使用。CANopen就是建立在CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層基礎上的標準化應用層協(xié)議，它包括應用層規(guī)范、通信協(xié)議和設備協(xié)議。CANopen是一種公共、開放、通用的協(xié)議，能夠在CAN網絡中提供標準的、統(tǒng)一的通訊模式以及設備功能描述方式，并可執(zhí)行網絡管理功能。另外，由于其采用面向對象的思想設計，因此，具有很好的模塊特性和很高的適應性，而且精練透明、容易開發(fā)。
在CANopen應用層，設備之間交換的是通訊對象(COB)，它們被映射到帶有標識符(ID)的CAN幀中，在數據鏈路層上傳輸。在物理層上，信號以兩線之陽的“差分”電壓形式出現(xiàn)，并用“顯性”(Dominant)和“隱性”(Recessive)兩個互補邏輯值來表示“0”和“1”。圖2所示描述了該協(xié)議層間的通訊關系。

CANopen協(xié)議對總線上傳輸的數據進行了分類，即每一個傳輸數據都是某一特定類的對象，從而實現(xiàn)面向對象的程序設計。基于CANopen協(xié)議的數據傳輸中共定義了4類通訊對象：一是過程數據對象(PDO)，用來傳輸實時數據；二是服務數據對象(SDO)，用來訪問對象字典中的設備配置參數；三是特殊功能對象，它包括同步(SYNC)對象和應急(Emergency)對象；最后是時間標記(Time Stamp)對象。
CANopen中的每一類通訊對象都有其規(guī)范化的格式，故可實現(xiàn)應用層結構上的統(tǒng)一。為了實現(xiàn)對各類對象進行規(guī)范化和方便管理，在CAN-open協(xié)議中定義了對象字典(ObjectDictionary，OD)的概念。每個設備都有一個獨有的對象字典，它描述了設備所使用的所有數據類型，包括描述這個和該網絡行為的所有參數。對象字典是具體應用于CAN總線通信接口之間的數據交換的媒介，是整個CANopen協(xié)議的核心。CANopen對象字典的結構如表l所列。